Numerical and Experimental Characterization of Throttleable Hybrid Propulsion Systems. Caratterizzazione Numerica e Sperimentale di Sistemi Propulsivi Ibridi a Spinta Variabile

The 1960s have been flourishing years for hybrid rocket propulsion: the thirst for knowledge pushed the engineers of those years to design and test any kind of motor configuration, and for several possible applications. Many projects of those years are fascinating and outstanding still nowadays. The cold war era had extinguished any enthusiasm and interest for hybrids for years. It is approximately at the beginning of the '90s that a renew interest for hybrids has come alive, since, besides the pure performance, affordability and safety have become a must. Hybrids are safe, simple, reliable, low cost and throttleable. All these characteristics make them suitable for several applications, not necessarily in replacement of solids and liquids, but possibly complementary. The TRL of hybrids has still to be improved in order to put hybrids on the market. Among the aforementioned peculiarities of hybrids, their throttleability is the object of the present research. This work is focused on the investigation of a high performing throttleable hybrid motor, conceived for soft-landing applications. The main purpose of the research is to develop and characterize a motor in the 1kN-class, with characteristics like: high performance at different operative conditions, both in terms of regression rate and combustion efficiency enhancement, safety and simplicity, reliability. The research is part of a wider framework: a EU FP7 granted project, called ``SPARTAN'', leaded by Thales Alenia Space, and aimed at developing a soft-lander demonstrator for planetary exploration, provided by a hybrid propulsion system. The University of Padova is partner of the project, so the preliminary design guidelines of the motor have been defined according to the requirements of the SPARTAN consortium. The motor considered burns HTPB as fuel and 87.5%H2O2. High performance is expected to be achieved by means of vortex injection. The selection of H2O2 as oxidizer has been made to take advantage from its many qualities, like high density and high OF ratio, non-toxicity, possibility to decompose it through a catalyst. Thanks to this last aspect, fuel ignition is expected to be accomplished thanks to the hot gases resulting from oxidizer decomposition. The doctoral research has been conducted combining several tools in synergy: analytic models, CFD simulations and experimental tests. The analytic models have supported the comprehension of the physical processes involved. The numerical simulations have been useful tools both to provide indications for final design purposes and to investigate in detail aspects of the internal ballistic of the motor, which were difficult to be observed in experimental tests. Finally, experimental tests have been conducted to validate the numerical prediction and assess the achievement of the desired and expected results. As a first step, once defined the preliminary design of the motor according to the SPARTAN requirements, a deep CFD investigation has been performed, in order to finalize the design. Preliminary CFD simulations have been carried out on a motor configuration already developed and tested at UPD, in order to study and characterize the physics beyond vortex injection, and thus assess its effectiveness in enhancing the hybrid motor performance. The numerical results have been compared with an analytic model of the vortex flowfield. The outcome of this phase has been compared with the experimental data available. In a second phase, the preliminary design produced within SPARTAN has been simulated to predict its performance and its sensitivity to some changes in the motor configuration and operative conditions. A prediction of the expected performance and some useful indications for the experimental tests are the main output of this second phase. Then experimental tests of the motor have been performed to evaluate the actual performance at different throttling levels. In order to overcome the issues related to handle and store hydrogen peroxide in high concentration, the design of the experimental test-bed foresaw the integration of the hybrid motor with a gas generator, responsible of reproducing 87.5% H2O2 in decomposed condition, as it would be passing through a catalyst. The mixture produced inside the gas generator is then injected as oxidizer into the combustion chamber of the hybrid motor. The experimental test-bed has been integrated and a preliminary phase of calibrations has been required to assess the correct functioning of the feed lines. Moreover a complete diagnostic system has been defined and installed, in order to have a full and accurate monitoring of the interesting parameters. Many tests have been performed at the beginning, to optimize the functioning of each subsystem composing the test-bed, and in order to obtain the correct oxidizer mixture and to assure HTPB ignition. Finally, the hybrid motor has been successfully tested at three different fixed throttling levels: full thrust, 75% thrust and 50% thrust. Fuel ignition has been achieved at each throttling level, and the dependency of the ignition delay from the throttling level has been considered. The performance of the motor has been analyzed at each level, in terms of: resulting regression rate, as a function of the oxidizer flux; combustion efficiency; combustion stability. A comparison between the performance obtained at each level has been performed. Any possible evidence of nozzle throat erosion has been monitored. Finally, the results have been compared with the reference regression rate law, proper of 87.5%H2O2-HTPB, in order to demonstrate the effectiveness of the gas generator in simulating decomposed hydrogen peroxide in high concentration. The actual mixture composition has also been estimated.

Gli anni '60 sono stati eccezionalmente produttivi per la propulsione ibrida: la sete di conoscenza spinse gli ingegneri di quegli anni a progettare e testare le più disparate, per svariate possibili applicazioni. Molti progetti di allora sono considerati tuttoggi affascinanti e fuori dal comune. L'era della guerra fredda ha assopito ogni entusiasmo e interesse per l'ibrido per molti anni. Un rinnovato interesse si è manifestato all'inizio degli anni '90, quando accanto alla pura prestazione propulsiva, la convenienza economica e la sicurezza sono diventati elementi imprescindibili. I motori ibridi sono sicuri, semplici, affidabili, a basso costo e modulabili in spinta. Tutte queste caratteristiche li rendono adatti a molteplici applicazioni, non necessariamente in contrasto con i motori solidi e liquidi, ma piuttosto ad essi complementari. Il livello di sviluppo tecnologico dell'ibrido necessita ancora di un intenso miglioramento, affinché l'ibrido possa essere competitivo sul mercato. Tra le peculiarità appena citate, la modulabilità della spinta è stata oggetto di questa ricerca. Il progetto è incentrato sull'investigazione di un motore ibrido ad alte prestazioni, concepito per applicazioni di esplorazione spaziale che richiedano atterraggio planetario controllato. Il principale fine della ricerca è lo sviluppo e la caratterizzazione di un motore di classe 1 kN, con caratteristiche quali: elevate prestazioni in diverse condizioni operative, sia in termini di regression rate che di efficienza di combustione, sicurezza e semplicità, affidabilità. La presente ricerca rientra in un contesto più ampio: il progetto europeo SPARTAN, coordinato da Thales Alenia Spazio, e volto allo sviluppo di un dimostratore tecnologico per atterraggio planetario controllato, dotato di un sistema propulsivo a razzo ibrido. L'Università di Padova è partner del progetto; pertanto le linee guida del progetto preliminare sono state definite sulla base dei requisiti del progetto SPARTAN. Il motore considerato utilizza HTPB come combustibile e 87.5%H2O2 come ossidante. Al fine di ottenere elevate prestazioni è stato adottata un'iniezione di tipo vortex. La scelta dell'H2O2 come ossidante deriva dai sui vantaggi intrinseci: elevata densità, elevato rapporto OF, non tossicità, possibilità di decomporlo mediante un catalitico. Grazie a quest'ultimo aspetto, l'accensione del combustibile avviene grazie ai gas caldi derivanti dalla decomposizione dell'ossidante. La ricerca di dottorato è stata condotta combinando in sinergia diversi strumenti: modelli analitici, simulazioni CFD e test sperimentali. I modelli analitici hanno favorito la comprensione dei processi fisici coinvolti. Le simulazioni numeriche hanno fornito sia utili indicazioni per il design finale del motore che informazioni dettagliate sulla balistica interna del motore, difficilmente osservabili dai test sperimentali. Infine, una campagna di test è stata svolta, allo scopo di validare i modelli numerici e verificare l'ottenimento delle prestazioni attese. Come primo passo, una volta definito il design preliminare del motore, sulla base dei requisiti del progetto SPARTAN, è stata compiuta una dettagliata indagine numerica, allo scopo di finalizzare la progettazione. Simulazioni CFD preliminari sono state realizzate, considerando una configurazione di motore già sviluppata e testata presso l'Università di Padova; il fine è stato quello di investigare la fisica di base dell'iniezione vortex, per verificare l'efficacia di questa tecnologia nell'incrementare le prestazioni di un motore ibrido. I risultati numerici sono stati confrontati con una modellazione analitica e con i dati sperimentali disponibili. In una seconda fase, la configurazione preliminare del motore identificato nell'ambito del progetto SPARTAN è stata simulata, per prevederne le prestazioni e determinare la sensibilità del funzionamento del motore a cambiamenti sia di geometria che di condizioni operative. Successivamente, le effettive prestazioni del motore sono state caratterizzate per mezzo di test sperimentali a diversi livelli di spinta. Al fine di ovviare alle problematiche di gestione e immagazzinamento dell'acqua ossigenata ad alta concentrazione, il design dell'esperimento ha previsto l'integrazione del motore ibrido con un gas generator, responsabile di riprodurre H2O2 all'87.5% decomposta, come se derivasse da un catalitico. La miscela di gas prodotta nel gas generator viene dunque iniettata come ossidante nella camera di combustione del motore. L'intero apparato sperimentale è stato integrato e le linee idrauliche sono state calibrate. Inoltre è stato definito un apparato diagnostico completo, allo scopo di monitorare in maniera completa e accurata i parametri di interesse. Numerosi test preliminari sono stati necessari, per mettere a punto ogni sottosistema e ottenere la corretta miscela ossidante, che assicuri l'accensione dell'HTPB. Infine il motore ibrido è stato testato con successo a tre livelli di spinta: spinta nominale, 75% della spinta nominale, 50% della spinta nominale. L'accensione dell'HTPB è stata ottenuta ad ogni livello di spinta ed è stata valutata la dipendenza del ritardo di accensione dal livello di spinta considerato. Le prestazioni del motore sono state analizzate ad ogni livello, in termini di regression rate in funzione del flusso di ossidante, di efficienza di combustione e di stabilità della combustione. I risultati ottenuti a ciascun livello sono stati confrontati tra loro. Qualsiasi possibile insorgenza di erosione della gola dell'ugello è stata monitorata. Un confronto finale è stato fatto tra i risultati sperimentali e la legge del regression rate di riferimento, propria di 87.5%H2O2-HTPB, con lo scopo di dimostrare l'efficacia del gas generator nel simulare acqua ossigenata decomposta ad alta concentrazione. L'effettiva composizione della miscela ossidante è stata infine stimata.